非洲爪蟾個體早期發(fā)育

1、非洲爪蟾個體早期發(fā)育非洲爪蟾（ south African clawed toad, Xenopus laevis）是目前最常用的兩種模式低等脊椎動物。 以非洲爪蟾為代表物種的兩棲類動物因易于實驗室養(yǎng)殖、 可誘導產(chǎn)卵、 胚胎體外 發(fā)育、產(chǎn)卵量大（一次幾千枚）、胚胎體積大（直徑約1.2 mm）而易于顯微操作等優(yōu)點，仍然被 認為是發(fā)育生物學研究的幾大模式生物之一， 為脊椎動物發(fā)育生物學研究， 特別是早期胚胎 發(fā)育研究做出了非常重要的貢獻。非洲爪蟾個體早期發(fā)育主要經(jīng)過卵裂、囊胚、原腸胚、神經(jīng)胚、軸胚形成等階段。爪蟾胚胎 發(fā)育起始于精卵結(jié)合， 受精卵經(jīng)過快速細胞增殖形成囊胚， 囊胚晚期不同區(qū)域的細胞開

2、始分 化；隨后進入原腸期， 胚胎細胞經(jīng)原腸運動形成不同的胚層和體軸， 細胞命運沿背腹軸線和 頭尾軸線進一步分化；原腸期結(jié)束后，神經(jīng)板開始形成神經(jīng)管，胚胎進入分節(jié)期（神經(jīng)胚），沿頭尾軸線上的細胞進一步區(qū)域化以形成相應的器官原基。一、卵裂在卵裂過程中不僅 DNA 合成快 ,而且已知在有些動物中，卵裂無 G1 期。爪蟾除無 G1 期 外， G2 期也很短，以致整個分裂周期短。因此兩次分裂之間的時間比成體細胞的短得多。非洲爪蟾的卵裂模式為完全卵裂中的兩側(cè)對稱式卵裂，卵裂面將受精卵完全分開， 卵裂球大小相差不多，一般少黃卵（均黃卵）都為全裂。中量端黃卵也進行全裂，但動、植物極卵 裂球大小相差較多。非洲爪

3、蟾第一個卵裂溝正試圖分裂植物極具卵黃的卵質(zhì)時，第二個卵裂溝已于動物極開始形成。 第二次卵裂與第一次成直角而且都是經(jīng)線型。 第三次是緯線裂， 但由于植物極富含卵 黃，因此卵裂溝偏向動物極一端。這樣在動物極形成 4 個小的卵型球， 而于植物極則形成了 4 個大的卵型球。 這種不均等的 分裂使胚胎形成兩個不同的區(qū)域， 一個是靠近動物極的迅速分型的小卵裂球區(qū)城， 另一個是 靠近植物極分裂較饅的大卵裂球區(qū)域。隨著不斷分裂，在動物極區(qū)域堆積了無數(shù)小的細胞， 而在植物極區(qū)域則由數(shù)量相對較少、體積大、富含卵黃的大卵裂球形成。二、囊胚囊胚隨著卵裂的進行逐漸形成， 在早期分裂球較大，晚期則分裂球體積減小，數(shù)量增加

4、，到1 6-細胞期時分裂速度減慢，對于爪蟾來說，由16-64 細胞構(gòu)建的胚胎常被稱為桑葚胚。在128 細胞階段，形成明顯的囊胚腔，因而被稱之為囊胚。 在近動物極形成小分裂球， 而近植物極由于卵黃的阻礙而形成大分裂球， 分裂球的周圍是大 量的卵黃細胞。三、原腸胚非洲爪蟾的中胚層前體只存在于深層細胞中， 位于赤道區(qū)域表面細胞下面， 而外胚層和內(nèi) 胚層則來源于表面的表層細胞中。非洲爪蟾預定內(nèi)胚層細胞內(nèi)陷，形成狹縫狀胚孔（ slit-like blastopore ），內(nèi)陷引發(fā)原 腸形成。 但是， 非洲爪蟾原腸作用并不是在最靠近植物極處開始內(nèi)陷， 而是在動物半球和植 物半球匯合的赤道附近，即所謂的邊緣

5、區(qū)( marginal zone )開始內(nèi)陷。內(nèi)陷細胞稱為瓶狀 細胞( bottle cell )，它們沿最初的原腸排列 。瓶狀細胞的收縮拉動邊緣區(qū)細胞向植物極 運動，同時將植物極的內(nèi)胚層細胞推向胚胎的內(nèi)部。 邊緣區(qū)細胞的運動導致外胚層細胞向植 物極外包，預定前端中胚層細胞沿囊胚腔內(nèi)表面延伸。原腸作用的下一個時期包括邊緣區(qū)細胞的內(nèi)卷以及動物半球細胞的外包和向胚孔處集中。 遷移中的緣區(qū)細胞到達胚孔的背唇時， 轉(zhuǎn)向內(nèi)部沿著外層細胞的內(nèi)表面運動， 因此構(gòu)成背唇 的細胞在不斷更新。 最初構(gòu)成背唇的細胞為內(nèi)陷形成原腸前緣的瓶狀細胞， 它們隨后發(fā)育為 前腸咽部的細胞。隨著瓶狀細胞進入胚胎內(nèi)部，背唇被后來內(nèi)

6、卷進入胚胎發(fā)育為頭部中胚層前體的細胞代 替。接下來，由胚孔背唇內(nèi)卷進入胚胎的細胞為脊索中胚層細胞， 它們將形成脊索。脊索是 一個臨時性中胚層脊柱( backbone )，對誘導神經(jīng)系統(tǒng)的分化起重要的作用。內(nèi)卷進入胚胎 的脊索中胚層細胞在胚胎背部集中延伸變窄變長，形成胚胎的軸性中胚層。非洲爪蟾原腸作用期間 Brachyury 基因的表達， 示預定中胚層細胞的集中和延伸。 晚期原 腸胚的軸旁中胚層表達 paraxial protocadherin ，而脊索表達 axial protocadherin ，兩 種鈣粘著蛋白對集中和延伸起重要的作用。隨著新細胞進入胚胎內(nèi)部， 囊胚腔被擠壓到與背唇相對的一

7、側(cè)。 同時隨著胚孔處瓶狀細胞 形成和內(nèi)卷，胚唇向側(cè)面和腹面延伸，形成新月狀結(jié)構(gòu)。 新月狀胚孔進一步延伸， 先形成側(cè) 唇，在形成腹唇。通過側(cè)唇和腹唇， 位于外胚層細胞中的中胚層和內(nèi)胚層細胞繼續(xù)內(nèi)卷，使 胚孔形成一環(huán)狀， 包繞在含有大量卵黃、 體積較大的內(nèi)胚層細胞周圍， 這些內(nèi)胚層細胞暴露 在植物極外面，稱為卵黃栓( yolk plug )。最終， 卵黃栓也被包入內(nèi)部。至此， 所有內(nèi)胚層細胞都已進入胚胎的內(nèi)部， 外胚層細胞包 被在胚胎的表面，而中胚層細胞則位于內(nèi)胚層和中胚層之間。 非洲爪蟾的原腸作用是數(shù)個事件和諧的組合，結(jié)果是把內(nèi)中外三個胚層細胞置于適當?shù)奈?置，為它們分化為不同的器官做準備。非洲

8、爪蟾原腸作用總結(jié)：1. 邊緣區(qū)瓶狀細胞在準確的時間和位置內(nèi)陷。2. 邊緣區(qū)細胞通過胚唇進行內(nèi)卷形成原腸。3. 內(nèi)卷的中胚層細胞沿胚孔頂壁內(nèi)表面遷移。4. 預定脊索中胚層在胚胎背部集中延伸5. 預定外胚層細胞通過細胞分裂和數(shù)層細胞合并為單層細胞而向植物極下包。四、神經(jīng)胚神經(jīng)胚早期，卵黃栓退縮，胚孔由于側(cè)唇愈合而封閉，背腹唇相互接近，這時胚孔變?yōu)樵?條結(jié)構(gòu)，此時迅速的細胞增殖使兩邊的側(cè)唇厚度增加( 圖1-9) ，到神經(jīng)胚晚期，原腸逐漸變長，其功能結(jié)構(gòu)更加復雜：前腸形成口腔后部和肝盲囊等結(jié)構(gòu)，隆起的中腸將形成小腸，還 有后腸及外突的肛門； 并且EI部和心臟原基等原始結(jié)構(gòu)也開始出現(xiàn)。 神經(jīng)板的兩側(cè)向上

9、突起 形成弧形的神經(jīng)褶， 它們向脊中線移動， 形成神經(jīng)溝， 繼而兩邊神經(jīng)褶高舉抱合成神經(jīng)管結(jié) 構(gòu)，在神經(jīng)管的下方形成棒狀的脊索結(jié)構(gòu)，并一直從頭部延伸到尾部(圖110) 。在神經(jīng)胚階段，細胞類型更加豐富， 除了原腸胚階段出現(xiàn)的間質(zhì)細胞外， 在脊索下方出現(xiàn)了大小不同， 結(jié)構(gòu)不同，染色效果不同的各種細胞。五、軸胚1. Nieuwkoop 中心的分子生物學研究非洲爪蟾的內(nèi)胚層細胞通過誘導預定中胚層細胞表達Xen opus Brachyury (Xbra)基因，進而誘導中胚層的形成。最靠近背側(cè)的植物半球細胞，由于表達一些特殊的細胞因子而形成Nieuwkoop中心。3-CATENIN是Nieuwkoop中

10、心的一個主要細胞因子。3 -catenin是一種母體效應基因，其編碼的蛋白質(zhì)3 -CATENIN既能錨定細胞膜上的鈣粘著蛋白，又是一個核內(nèi)轉(zhuǎn)錄因子。3 -CATENIN 在受精時卵質(zhì)的旋轉(zhuǎn)移動過程中在預定胚胎背部累積，在整個早期卵裂階段 仍然主要在胚胎背部累積。到卵裂晚期只有 Nieuwkoop 中心的細胞具有 3 -CATENIN 。 3 -CATENIN對于形成背部結(jié)構(gòu)是必要的。3 -CATENIN屬于Wnt信號傳導途徑的一個分子，糖原合成激酶-3(GSK-3)對3 -CATENIN有負調(diào)控作用，進而對背側(cè)細胞的分化起抑制作用。在腹側(cè)細胞中 GSK-3介導的磷酸化作用引起 3 -CATEN

11、IN的降解，而在背側(cè)細胞中由于存在 GSK-3的抑制因子 Disheveled (DSH蛋白，所以背側(cè)的3 -CATENIN不會被降解。DSH蛋白 開始存在于爪蟾未受精卵植物半球的皮層部，受精時沿微管遷移到胚胎的背側(cè)起作用。3-CATENIN與一種普遍存在的轉(zhuǎn)錄因子TCF3結(jié)合形成的復合物能夠激活對胚軸形成具有重要作用的其他基因，如 siamois (sms)基因。SMS能激活goosecoid基因的表達。goosecoid 基因是Nieuwkoop中心分泌蛋白因子作用的主要靶基因之一。gcd mRNA表達的區(qū)域與組織者的范圍有關(guān)。GCC能夠激活腦形成關(guān)鍵基因 Xotx2，使其在前端中胚層和預

12、定腦外胚層表 達。gcd 基因的激活也同時受到定位于植物半球和 Nieuwkoop 中心的 TGF3 家族蛋白產(chǎn)物的協(xié) 同作用。這里所涉及的TGF - 3蛋白因子是 Vg1、VegT和Nodal相關(guān)蛋白。3 -CATENIN與VG1、VEGT信號相互作用的結(jié)果形成 Nodal-相關(guān)蛋白從背側(cè)到腹側(cè)的濃度梯 度。 Nodal- 相關(guān)蛋白的濃度梯度使中胚層細胞分化。 含有大量 Nodal 相關(guān)蛋白的分化為組織 者，較少的分化為側(cè)板中胚層，不含 Nodal 相關(guān)蛋白的分化成腹側(cè)中胚層。總之，為維持正常的發(fā)育，在胚胎背部細胞中必須含有3 -CATENIN,并使sms基因表達，SMS與TGF-3基因家族

13、的蛋白質(zhì)協(xié)同作用使gcd基因激活，在SMS和GCD等共同作用下才能形成組織者。 組織者的形成涉及多種基因的激活， 存在于 Nieuwkoop 中心的分泌蛋白激活位于 其上方中胚層細胞中一系列轉(zhuǎn)錄因子，后者再激活編碼組織者分泌產(chǎn)物的一些基因。2. 第一類組織者分泌性蛋白因子和 BMP 抑制因子BMP4是最重要的上皮分化和腹側(cè)化誘導因子。對于神經(jīng)發(fā)生而言，它是抑制因子或抗神經(jīng) 化因子，其功能與組織者正好相反。組織者分泌的 NGN CHD Nodal相關(guān)蛋白一3和FST對BMP4均有抑制作用。因此組織者的 功能是分泌抑制誘導作用的可溶性蛋白因子，而不是直接誘導中樞神經(jīng)系統(tǒng)的發(fā)3. 第二類組織者分泌性蛋白因子和 WNT 抑制因子咽鰓區(qū)內(nèi)胚層和頭部中胚層形成的內(nèi) -中胚層組織構(gòu)成胚孔背唇的前緣。這些細胞不僅能誘導最前端的頭部結(jié)構(gòu)，而且還能夠阻滯WNT信號傳導途徑。WN傢族的成員之一 WNT8與 BMP4 相似，能夠抑制神經(jīng)誘導。組織者分泌的 CERBERUSCBR和內(nèi)中胚層分泌的 FRZB和DICKKOPF（ DCK蛋白因子可以組 織WNT言號傳導途徑。4. 后端化因子隨著前端神經(jīng)系統(tǒng)的區(qū)域性特化神經(jīng)管， 后端開始進行分化。 后端的分化由胚胎后端產(chǎn)生后 端化因子進行調(diào)控。成纖維細胞生長因子 eFGF WNT3a和視黃酸（Retinoic acid，RA都是后端化因子。 RA主 要作用于后腦